表面化学环境对铜纳米线的稳定性和反应性影响机制的研究

In order to promote the practical application of nanomaterials with important application value, we not only need to finely modulate their composition, morphology and structure but also need to deeply investigate their stability and reactivity, which is also the premise and foundation of the practical application of nanomaterials. Unlike traditional materials, the surface of almost all nanomaterials is not ‘‘naked’’ but surrounded by many stabilizers as well as absorbed and modified species that form a chemical micro-environment on the surface. Thus, the stability and the reactivity of nanomaterials are not only related to its own but also closely involved with their surface chemical micro-environments. In this project, based on the understanding of the surface chemistry of Cu nanowires with good electrical conductivity, we will construct three categories surface chemical environments (intrinsic, nonpolar and polar) of Cu nanowires to systematically study the stability (dispersion stability, chemical stability and conductive stability) of Cu nanowires and investigate the reactivity of Cu nanowires from two perspective: physical template and chemical template. By combining qualitative characterizations and quantitative analysis, we will reveal the mechanism of action of the surface chemical environments on the stability and the reactivity of Cu nanowires, which can be a good foundation for the surface modification, chemical conversion, long-term storage and practical applications of Cu nanowires. This work can also provide reasonable research methods and ideas for exploring the stability and reactivity of other nanomaterials.

为了促进具有重要应用价值的纳米材料的实际应用，不仅需要对纳米材料的组分、形貌和结构进行精细调控，还需要深入地探讨纳米材料的稳定性和反应性，这也是纳米材料实际应用的前提和基础。与传统材料不同，几乎所有纳米材料的表面都不是“裸露的”，而是被稳定剂、吸附剂或修饰物质所包覆，这些物质在其表面形成了一个化学微环境。因此，纳米材料的稳定性和反应性不仅与其自身有关，也与其表面的化学微环境紧密相关。本项目拟从具有良好导电性的铜纳米线的表面化学着手，通过构建铜纳米线表面的三类不同的化学环境（“本征”、非极性和极性），系统研究其对铜纳米线稳定性（分散稳定性、化学稳定性和导电稳定性）和反应性（物理模板和化学模板）的影响，并结合定性分析和定量表征，揭示其作用的过程和影响机制，从而为其表面修饰、化学转化、长期存贮和实际应用奠定良好的基础，并为探究其它纳米材料的稳定性和反应性提供合理的研究手段和思路。

作为连接外界与纳米材料的界面，纳米材料的表面化学对其从生物技术到先进微电子领域的应用都有着广泛的影响。一般来说，纳米材料表面化学配体的种类、包覆密度和亲水性，在很大程度上决定了其与外界相互作用的方式，即纳米材料的分散性，反应性，烧结特性等。因此，深入地理解纳米材料的表面化学，是纳米材料应用的关键前提之一。基于此，本项目以铜纳米线为主要的研究对象，基于“配体交换”和“酸碱刻蚀”策略制备了多种具有不同表面化学环境的铜纳米线，并探究了不同表面化学环境对铜纳米线稳定性和反应性的影响。在此基础上制备了多种具有核壳结构的铜基复合功能材料，如Cu@Carbon、Cu@SiO2、Cu@Ni、Cu@Au和CuO@Co3O4等，这为制备其它核壳结构或复杂微观结构的纳米复合材料奠定了研究基础。此外，针对铜纳米材料的应用研究，通过对表面配体的筛选以及商业铜粉的表面改性，成功获得了具有良好低温烧结性能的铜纳米材料，其在空气气氛中烧后剪切强度可达30Mpa以上，且热压烧结形成的铜-铜焊接头表现出良好的高温服役特性，随着高温（150℃）热老化时间的增加，铜-铜接头的剪切强度不降反增，最高可达60Mpa以上。该项目的顺利实施，不仅有利于揭示铜纳米材料表面化学环境对其稳定性和反应性的影响，同时对铜纳米材料的长期存储、化学转化和商业应用也有一定的参考和指导价值。